ＩＩＩ族窒化物系半導体、その製造方法、発光素子及び照明装置
【課題】 Ｐ型不純物がドープされ活性化されたIII族窒化物系半導体をアニールを必要とせずに容易に製造可能なＰ型導電性のIII族窒化物系半導体等を提供すること。
【解決手段】 基板１１０の一主面上に形成されたIII族窒化物系半導体（Ｐ型半導体層１１２）であり、III族窒化物系半導体に基板１１０からの不純物が含まれている。これにより、アクセプタ不純物としてのホウ素を、基板１１０から直接的にIII族窒化物系半導体に混入させることができる。
【解決手段】 基板１１０の一主面上に形成されたIII族窒化物系半導体（Ｐ型半導体層１１２）であり、III族窒化物系半導体に基板１１０からの不純物が含まれている。これにより、アクセプタ不純物としてのホウ素を、基板１１０から直接的にIII族窒化物系半導体に混入させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ等の半導体発光素子に用いられるIII族窒化物系半導体、その製造方法、III族窒化物系半導体を用いた発光素子、及び照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系化合物半導体等のIII族窒化物系半導体（Ｇａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｌｘＮ）（ただし、ｘ＋ｙ≦１，ｘ≧０，ｙ≧０とする。）は、ＡｌＮやＩｎＮ等との混晶であるＡｌＧａＮやＩｎＧａＮ、及びＩｎＧａＡｌＮ等からなり、組成を選択することにより可視光領域から紫外光領域までの発光が可能であり、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ等の発光素子の材料として、検討または一部実用化が図られている。また、電界効果型トランジスタ等の半導体材料としても検討されており、高出力の高周波素子として期待されており、開発が進められている。
【０００３】
特に発光素子として応用を図るには、高品質なＰ型及びＮ型のIII族窒化物系半導体層を作製する必要がある。Ｎ型のIII族窒化物系半導体層は、ドナー不純物となるシリコン（Ｓｉ）等のドーピングにより比較的容易に低抵抗な層を得ることができる。しかしながら、Ｐ型のIII族窒化物系半導体層については、単にマグネシウム（Ｍｇ），亜鉛（Ｚｎ）等のアクセプタ不純物をドーピングしても、ドーパントの活性化率が低く、キャリア濃度は１０１８ｃｍ−３程度であり、低抵抗のＰ型III族窒化物系半導体層を得ることができないといった問題がある。
【０００４】
これは、III族窒化物系半導体層を成長させるのに一般的に用いられている基板であるサファイア（Ａｌ２Ｏ３）は、III族窒化物系半導体との格子定数差が大きいため、その結晶性が悪く、そのため残留ドナー不純物濃度が高くなる。従って、アクセプタ不純物を添加しても、この残留ドナー不純物に相殺されて、有効にアクセプタとして機能しないこととなる。
【０００５】
また、マグネシウムや亜鉛のアクセプタ準位がそれぞれ２００ｍｅＶと３７０ｍｅＶと深く、また、ＭＯＣＶＤ成長（有機金属化学気相成長）法によるIII族窒化物系半導体層の成長中に、Ｖ族元素の供給源として用いるアンモニア（ＮＨ３）やキャリアガスの水素ガス（Ｈ２）等による水素（Ｈ）がIII族窒化物系半導体層の結晶中に取り込まれ、アクセプタ不純物として添加したマグネシウムや亜鉛と結合し、マグネシウムや亜鉛がアクセプタ不純物として機能しないためと理解されている。
【０００６】
上記Ｐ型III族窒化物系半導体層を得る方法として、特許文献１には、実質的に水素を含まない雰囲気中において４００℃以上の温度でアニールする方法が開示されており、水素とマグネシウム，亜鉛との結合を熱エネルギーにより解離させている。
【０００７】
また、特許文献２には、マグネシウムや亜鉛の代わりにアクセプタ不純物としてホウ素（Ｂ）を用いることが開示されている。
【特許文献１】特許第２５４０７９１号公報
【特許文献２】特開２０００−１６４９２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載されている方法では、大量のIII族窒化物系半導体層が形成されたウェハーを同時に一括処理でき、大量生産に向いている方法であるが、加熱時の雰囲気調整が必要であり、また条件によっては十分に低抵抗なＰ型III族窒化物系半導体層を得ることができない。十分な低抵抗化を行うためには、６００℃以上の高温で１０分〜２０分間保持する必要があり、その際にIII族窒化物系半導体層から窒素が抜ける等の問題がある。
【０００９】
また、特許文献２に記載の技術においては、マグネシウムや亜鉛の代わりにアクセプタ不純物としてホウ素を用いているが、不純物源としてホウ素を含む有機金属（例えばトリメチルボロン：ＴＭＢ，トリエチルボロン：ＴＥＢ）が必要であり、さらに不純物の添加後に、特許文献２に記載されている方法のようなアニールによる活性化プロセスが必要である。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、Ｐ型不純物がドープされ活性化されたIII族窒化物系半導体をアニールを必要とせずに容易に製造可能なＰ型導電性のIII族窒化物系半導体、その製造方法、そのＰ型導電性のIII族窒化物系半導体を用いた発光素子、及び照明装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のIII族窒化物系半導体は、基板の一主面上に形成されたIII族窒化物系半導体であり、該III族窒化物系半導体に前記基板からの不純物が含まれていることを特徴とする。
【００１２】
本発明のIII族窒化物系半導体において好ましくは、前記基板は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成り、前記不純物がホウ素であることを特徴とする。
【００１３】
本発明のIII族窒化物系半導体の製造方法は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の一主面上に、気相成長法によりIII族窒化物系半導体を形成する際に、該III族窒化物系半導体中に不純物であるホウ素を前記基板との界面から固相反応により混入させることを特徴とする。
【００１４】
本発明のIII族窒化物系半導体の製造方法は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の一主面上に、気相成長法によりIII族窒化物系半導体を形成する際に、該III族窒化物系半導体中に不純物であるホウ素を雰囲気ガス中の気相から混入させることを特徴とする。
【００１５】
本発明の発光素子は、基板の一主面上に、それぞれIII族窒化物系半導体からなる、Ｐ型半導体層、発光層及びＮ型半導体層が順に積層されているとともに、前記Ｐ型半導体層及び前記Ｎ型半導体層にそれぞれ電極が設けられており、前記III族窒化物系半導体が上記本発明のIII族窒化物系半導体であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の照明装置は、上記本発明の発光素子と、該発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のIII族窒化物系半導体は、基板の一主面上に形成されたIII族窒化物系半導体であり、III族窒化物系半導体に基板からの不純物が含まれていることから、アクセプタ不純物としてのホウ素を、基板から直接的にIII族窒化物系半導体に混入させることができる。従って、ホウ素源としての原料であるトリメチルボロン（ＴＭＢ）やトリエチルボロン（ＴＥＢ）等が不要となり、III族窒化物系半導体を容易かつ低コストに製造できる。また、ホウ素はマグネシウムや亜鉛よりも軽元素であり、III族窒化物系半導体中に浅いアクセプタ準位が形成される。
【００１８】
本発明のIII族窒化物系半導体は好ましくは、基板は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成り、不純物がホウ素である。上記の二硼化物単結晶からなる基板は、III族窒化物系半導体と格子定数が近似しており、この基板上にIII族窒化物系半導体を結晶成長させることで得られるIII族窒化物系半導体の結晶性は高く、残留ドナー濃度も低くすることができる。よってアクセプタ不純物としてホウ素を用いることにより、アクセプタ準位が低いことからマグネシウムや亜鉛よりも活性化率が上がり、また、添加されたアクセプタ不純物であるホウ素が残留ドナーと相殺されることがないため、活性化率が高い低抵抗のＰ型III族窒化物系半導体を得ることが可能になる。
【００１９】
さらに、III族窒化物系半導体層の結晶性が良いため、その成長中の水素原子の取り込みや、結晶中での拡散が抑制され、添加した不純物との結合が生じにくくなる。そのため、III族窒化物系半導体は結晶成長終了時に既にＰ型化しており、新たにアニール処理等行う必要がなく、低抵抗のＰ型III族窒化物系半導体を得ることが可能となる。
【００２０】
本発明のIII族窒化物系半導体の製造方法は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の一主面上に、気相成長法によりIII族窒化物系半導体を形成する際に、III族窒化物系半導体中に不純物であるホウ素を基板との界面から固相反応により混入させることから、ホウ素源としての原料であるトリメチルボロン（ＴＭＢ）やトリエチルボロン（ＴＥＢ）等が不要であり、さらに固相反応によりホウ素が取り込まれるため、その分布は基板と接する側がホウ素濃度が高くなる。このことにより半導体層上に電極を形成した際に、表面部分のキャリア濃度が高くでき、低接触抵抗を得ることができる。
【００２１】
また、本発明のIII族窒化物系半導体の製造方法は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の一主面上に、気相成長法によりIII族窒化物系半導体を形成する際に、III族窒化物系半導体中に不純物であるホウ素を雰囲気ガス中の気相から混入させることから、III族窒化物系半導体中のホウ素濃度は一定な分布にでき、成長温度などの成長条件により濃度を変化できることから、階段状のホウ素濃度分布などを得ることができる。
【００２２】
本発明の発光素子は、基板の一主面上に、それぞれIII族窒化物系半導体からなる、Ｐ型半導体層、発光層及びＮ型半導体層が順に積層されているとともに、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層にそれぞれ電極が設けられており、III族窒化物系半導体が上記本発明のIII族窒化物系半導体であることから、Ｐ型半導体層は低抵抗なものとなり、また、基板上に形成されたＰ型半導体層は結晶性が良いため、貫通転位密度を減らすために厚く積層する必要がない。従って、発光素子の抵抗を小さくすることができ、駆動電圧の低減化を達成することができる。
【００２３】
本発明の照明装置は、上記本発明の発光素子と、その発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備していることから、小さい電力で良好な発光強度を有する発光素子の光により蛍光体または燐光体を強く励起するため、小さい電力で高い照度を得ることができるものとなる。また、本発明の照明装置は、従来の蛍光灯や放電灯等よりも省エネルギー性や小型化に優れたものとなり、蛍光灯や放電灯等よりも優れた照明装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明のIII族窒化物系半導体について実施の形態を以下に詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明のIII族窒化物系半導体について実施の形態の例を示すものであり、基板１１０の一主面（上面）にバッファ層１１１を介してIII族窒化物系半導体１１２をＭＯＣＶＤ法により形成した構成である。
【００２６】
図１の例では、基板１１０として、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶を用いている。好適には二硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）を挙げることができるが、ＺｒＢ２の結晶性また格子定数が大きく変化しない程度に他のアクセプタ不純物と成り得るマグネシウムや亜鉛を含んでいてもよく、これらがIII族窒化物系半導体１１２中に同時に混入されても構わない。
【００２７】
また、バッファ層１１１は、III族窒化物系半導体１１２と基板１１０との格子定数や熱膨張係数が近い場合は必ずしも用いる必要はないが、バッファ層１１１としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及びこれらの混晶である窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）を用いることができる。
【００２８】
二硼化物単結晶である二硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）の場合には、ＧａＮと格子定数が近く、またＡｌ０．２４Ｇａ０．７６Ｎと格子定数が一致するため、このようなＡｌ０．２４Ｇａ０．７６Ｎを直接成長しても構わない。
【００２９】
バッファ層１１１の形成後に温度を上げ、III族窒化物系半導体１１２を引き続き形成する。III族窒化物系半導体１１２としては、ＧａＮ層，ＡｌＧａＮ層，またはＩｎＧａＮ層等のＡｌＮ及び窒化インジウム（ＩｎＮ）の混晶組成でもよい。
【００３０】
また、III族窒化物系半導体１１２の成長方法は、ＭＯＣＶＤ法の他にも分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法やハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ）法等が挙げられる。
【００３１】
バッファ層１１１及びIII族窒化物系半導体１１２の形成温度は、それぞれ４００℃〜８００℃、８００℃〜１１００℃である。
【００３２】
以上のように化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶の基板１１０上にIII族窒化物系半導体１１２を形成することにより、基板１１０に含まれるホウ素が、III族窒化物系半導体１１２の高温での成長中にバッファ層１１１を介した固相拡散によって混入させる。基板に含まれる、もしくは基板を構成するホウ素は、III族窒化物系半導体１１２の形成中の高温下において、基板から拡散する。ホウ素はイオン半径がガリウムや窒素より小さいため、比較的容易にIII族窒化物系半導体１１２中を拡散することが可能である。
【００３３】
また、基板１１０から蒸発したホウ素が、III族窒化物系半導体１１２の原料ガスとともにIII族窒化物系半導体１１２の成長中に取り込まれることによって、III族窒化物系半導体１１２中にホウ素を混入させることができる。
【００３４】
III族窒化物系半導体１１２中へのホウ素の混入は、形成されたIII族窒化物系半導体１１２について、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）による深さ方向のホウ素分布をみることで確認できる。ホウ素は基板１１０側の方が多く存在しており、基板１１０から離れるに従って徐々に減少している。また、基板１１０から離れた部分ではほぼ一定のホウ素濃度を示していることから、ホウ素は基板１１０との界面からの固相拡散と、III族窒化物系半導体１１２の成長と同時に気相から取り込まれていると理解できる。
【００３５】
以上のような構成にすることで、III族窒化物系半導体１１２の成長中にホウ素が基板１１０からIII族窒化物系半導体１１２中に混入されるが、III族窒化物系半導体１１２に対して格子定数のずれが小さい基板１１０上に形成しているので、III族窒化物系半導体１１２の結晶性がよく、残留ドナー濃度を抑制できる。そのため、III族窒化物系半導体１１２の成長後にアクセプタ不純物（ホウ素）活性化のためにアニールすることを不要として、低抵抗なＰ型III族窒化物系半導体を得ることができる。
【００３６】
この際ホウ素濃度は１０１７／ｃｍ３から１０２１／ｃｍ３あれば好ましく、また電極との低コンタクト抵抗のために基板側のホウ素濃度が高くなるような濃度分布になることが好ましいが、基板上にＰ型層となるIII族窒化物系半導体から成長することで、不純物の固相拡散により前記濃度分布を得ることができる。
【００３７】
次に、本発明のIII族窒化物系半導体を用いた発光素子の構成の一例を図２に示す。図１の例のように作製した化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶の基板１０上に、バッファ層１１、それぞれIII族窒化物系半導体からなる、第一導電型層（Ｐ型半導体層）１２、発光層１３及び第二導電型層（Ｎ型半導体層）１４が順に積層されており、Ｐ型半導体層１２及びＮ型半導体層１４にそれぞれ電極１５，１６が形成されている。
【００３８】
本例では、基板１０は化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶からなるが、好適には二硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）である。この場合、ＺｒＢ２の結晶性、格子定数が大きく変化しない程度に他のアクセプタ不純物と成り得るマグネシウムや亜鉛を含んでいてもよく、これらがIII族窒化物系半導体１２中に混入されていても構わない。
【００３９】
またバッファ層１１は、III族窒化物系半導体１２と基板１０の格子定数や熱膨張係数が近い場合は必ずしも形成する必要はないが、バッファ層１１としては、窒化ガリウム，窒化アルミニウム，窒化ガリウムアルミニウムを用いることができる。
【００４０】
バッファ層１１の形成後に温度を上げ、III族窒化物系半導体１２を引き続き形成する。III族窒化物系半導体１２としては、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，またはＩｎＧａＮ等のＡｌＮ及びＩｎＮの混晶組成でもよい。また、III族窒化物系半導体１２の成長方法は、ＭＯＣＶＤ法の他にも分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法やハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ）法等が挙げられる。
【００４１】
バッファ層１１及びIII族窒化物系半導体１２の形成温度は、それぞれ４００℃〜８００℃、８００℃〜１１００℃である。
【００４２】
このようにして、III族窒化物系半導体１２は、基板１０からホウ素が添加されることによりアクセプタ不純物が含まれることとなる。図２において、このIII族窒化物系半導体１２は、バッファ層１１側からＧａＮからなるコンタクト層１２−ａ、ＡｌＧａＮからなるクラッド層１２−ｂ、ＡｌＧａＮからなるキャップ層１２−ｃからなる構成であるが、キャップ層１２−ｃはＧａＮであっても構わず、クラッド層１２−ｂをＡｌ組成の異なる２層からなるものとしても構わない。
【００４３】
III族窒化物系半導体１２中の不純物濃度は、結晶成長温度と、各層厚に混入量が依存する基板１０からの固相を介しての拡散と気相を介しての取り込みとにより、制御が可能である。従って、コンタクト層１２−ａ、クラッド層１２−ｂ、キャップ層１２−ｃの順に不純物濃度が高くなる分布とすることができる。
【００４４】
III族窒化物系半導体１２の結晶成長温度は、例えばコンタクト層１２−ａ及びクラッド層１２−ｂは８００℃〜１１００℃、キャップ層１２−ｃは発光層１３の形成温度により異なり発光層１３の形成温度と同じか僅かに高い程度であり、好適には７００℃〜９００℃である。
【００４５】
また、III族窒化物系半導体１２の各層の厚みは、コンタクト層１２−ａは５〜１０ｎｍ、クラッド層１２−ｂは５０〜２００ｎｍ、キャップ層１２−ｃは１０〜５０ｎｍが好適である。
【００４６】
さらに、コンタクト層１２−ａは形成されていなくてもよく、バッファ層１１をコンタクト層１２−ａの代わりとすることができる。
【００４７】
発光層（活性層）１３は、ＩｎＧａＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮ等から構成された障壁層１３ａ、井戸層１３ｂからなる量子井戸構造（ＭＱＷ）からなっている。例えば、障壁層１３ａとしてＧａＮ層、井戸層１３ｂとしてＩｎＧａＮ層を用いることができる。
【００４８】
発光層１３の形成温度は、インジウムの組成比にもよるがキャップ層１２−ｃと同様に７００℃〜９００℃であるが、基板１０からのホウ素の拡散をなくすために７００℃〜８００℃と低い方が好ましい。また、発光層１３を成す各層の厚みは、障壁層１３ａは５〜１５ｎｍ、井戸層１３ｂは３〜１０ｎｍであり、さらに量子井戸構造の繰返し数は３〜５層がよい。
【００４９】
発光層１３上にはＮ型半導体層１４が積層されており、Ｎ型半導体層１４は不純物としてシリコン（Ｓｉ）をドープしたＧａＮから成る。Ｎ型半導体層１４の形成温度は９００℃〜１１００℃である。Ｎ型半導体層１４の厚みは、通常のサファイア上に形成される場合には格子定数のミスマッチが大きいため、転位を低減するために２〜３μｍとする必要がある。これに対して、本発明のＺｒＢ２基板上の場合、III族窒化物系半導体との格子定数のミスマッチが小さいため転位低減が可能であり、また、Ｎ型半導体層１４は発光層１３上に形成されるので転位低減のために厚くする必要がないことから、Ｎ型半導体層１４の厚みは、図２の場合であれば１μｍあれば十分である。このようにＮ型半導体層１４の厚みを薄くすることにより、発光素子全体の抵抗低減や、発光層１３で発光した光の吸収を極力抑えることが可能となる。
【００５０】
また、発光層１３とＮ型半導体層１４の間に活性層１３の分解を抑制する目的で発光層１３と同じ成長温度で形成するＩｎＧａＮ層やＧａＮ層を積層してもよい。
【００５１】
さらに、電極１５がＮ型半導体層１４上に、電極１６が基板１０の他主面（下面）に形成されている。例えばＺｒＢ２から成る基板１０は、金属とほぼ同等の高い導電性を示すため、その下面に電極１６を形成しても電流を流すことが可能となる。また、基板１０とバッファ層１１を介した電極１６とＰ型半導体層１２とのコンタクトは、Ｐ型半導体層１２と全面で接することから電流の広がりもよく、基板１０と電極１６のコンタクト抵抗も低いことから、縦型に通電しても抵抗を低く、均一な発光を達成できる。
【００５２】
電極１６を形成する際に基板１０を研磨等して薄くした後に形成しても構わない。さらに、ＺｒＢ２等からなる基板１０が導電性を有するために、例えばサブマウント基板に基板１０をはんだ等により直接接続し電気的に導通をとることも可能である。また、このような電極１６を特に用いない構成も採用可能である。
【００５３】
また、Ｎ型半導体層１４上に形成される電極１５は、Ｎ型半導体層１４の全面に形成する必要はなく、少なくともワイヤーボンディングができる程度の大きさの電極１５を形成すればよい。
【００５４】
電極１５の位置は、図２では平面視で発光素子のほぼ中心に形成しているが、Ｎ型半導体層１４は抵抗が低く電流の広がりが良いので、平面視で発光素子の端の方に形成されていてもよい。また、電極１５は、発光素子における光の取り出し方向によっては、透光性または反射性の材料からなるように選択することができる。
【００５５】
電極１５，１６に用いることができる好適な材料としては、アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ）等であり、これらから成る薄膜として形成できる。また、他の好適な材料として、酸化錫（ＳｎＯ２），酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を挙げることができ、これらから成る薄膜として形成できる。また、上記薄膜を複数積層したり、上記各種材料の合金や化合物から成る薄膜であってもよい。反射性の材料としては、例えば銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）等が好適である。
【００５６】
さらに、ボンディングやプローバ測定を行うために、各電極１５，１６上にパッド電極１７，１８を設ける。パッド電極１７，１８としては例えばＴｉ層，Ａｕ層を積層したもの等を使用することができる。
【００５７】
そして、ダイシングまたはスクライブ等によりチップ形状に分割することにより、図２に示す発光素子が得られる。
【００５８】
以上のような構成にすることにより、III族窒化物系半導体の成長中にホウ素が基板１０からIII族窒化物系半導体中に混入するが、III族窒化物系半導体に対して格子定数のずれが小さい基板１０上にIII族窒化物系半導体を形成しているので、III族窒化物系半導体層の結晶性がよく、残留ドナー濃度を抑制できる。そのため、III族窒化物系半導体の成長後にアニールすることなく低抵抗で結晶性の良いＰ型III族窒化物系半導体を得ることができ、その結果、発光効率の良い、低い動作電圧の発光素子を得ることが可能となる。
【００５９】
次に、本発明の発光素子について実施の形態の他例の構成を図３に示す。図３の構成の発光素子においては、フリップチップ型実装にも対応するものであり、図２の構成のように、基板１０上に、バッファ層１１、Ｐ型導体層１２、発光層１３、Ｎ型半導体層１４を形成している構成は同じである。また図３の構成では、Ｎ型半導体層１４に接続する電極１５を、基板１０に形成される電極１６と同じ基板１０の主面側に形成している。
【００６０】
この電極１５は以下のようにして形成することができる。まず、基板１０の他主面（下面）からＮ型半導体層１４にまで達する開口部を設ける。この開口部は、基板１０にレジストによるパターニング等をした後に、開口部に相当する個所を除去することのよって形成され、例えば基板１０を成すＺｒＢ２は沸酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）の混合液である沸硝酸水溶液で除去できるので、容易にパターニング及び除去が可能である。
【００６１】
さらに、開口部において、バッファ層１１、Ｐ型半導体層１２、発光層１３及びＮ型半導体層１４の一部を、Ｎ型半導体層１４の表面が露出するまでエッチングを行う。エッチングは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置により行うことができる。
【００６２】
再度フォトリソグラフィ工程、蒸着工程、リフトオフ工程により、Ｎ型半導体層１４上に、Ｔｉ層，Ａｌ層，Ｎｉ層，Ａｕ層を積層して成る電極１５を、さらに同様の積層構造からなる電極１６を同時に基板１０の下面に形成した。
【００６３】
さらに、ボンディングやプローバ測定を行うために、各電極１５，１６上にパッド電極１７，１８を設ける。パッド電極１７，１８としては、例えばＴｉ層，Ａｕ層を積層して成るもの等を使用することができる。
【００６４】
そして、ダイシングまたはスクライブ等によりチップ形状に分割することにより、図３に示す、III族窒化物系半導体を用いた発光素子が得られる。
【００６５】
また、図３においては基板１０の一部を除去し、基板１０の下面に電極１６を形成したが、基板１０はIII族窒化物系半導体の成長に使用した後は完全に除去して、電極１６がバッファ層１１上に形成されるようにすることも可能である。この場合、基板１０を沸硝酸により完全に除去した後に、バッファ層１１全面に電極１６を形成する。電極１６の材料としては、反射性の材料であれば、例えば銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）を好適に用いることができる。
【００６６】
さらに基板１０除去後に、バッファ層１１上に、例えばニッケル（Ｎｉ），金（Ａｕ）からなる透明電極を形成し、その上の一部にボンディングやプローバ測定を行うための例えばＴｉ層，Ａｕ層を積層して成るパッド電極を形成することも可能である。
【００６７】
以上のような構成にすることでIII族窒化物系半導体の成長中にホウ素が基板からIII族窒化物系半導体層に混入され、そのため、III族窒化物系半導体が格子定数のずれが小さい基板上に形成されているので、III族窒化物系半導体層の結晶性がよく、残留ドナー濃度を抑制できる。従って、成長後にアニールすることなく低抵抗で結晶性の良いＰ型III族窒化物系半導体を得ることができるため、発光効率の良い、低い動作電圧の発光素子を得ることが可能となる。
【００６８】
次に、図４に本発明の照明装置について実施の形態の一例を示す。図４の照明装置は、図２及び図３に示す本発明の発光素子２４と、この発光素子２４に設けた発光層１３に沿って出射される紫外光（波長３６５ｎｍ程度）〜近紫外光（波長３８０ｎｍ〜４１０ｎｍ程度）を、上方に反射する反射面１９ａを有する反射部材１９と、発光素子２４からの発光を受けて白色光等の可視光を発する蛍光体２０（または燐光体）とを具備する構成である。
【００６９】
また、発光素子２４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の高熱伝導の絶縁材料からなる基台２１上面に形成された導体パターン２２ａ，２２ｂ上に、バンプ電極２３ａ，２３ｂを介して電気的に接続されており、その発光素子２４の実装面の反対側から発光素子２４全体を蛍光体２０で覆っている。また、基台２１上面には、反射面１９ａを成す金属材料（アルミニウム等）と同じ材料から成る反射部材１９、または反射面１９ａが金属材料（アルミニウム等）でコーティングされた反射部材１９を設けている。
【００７０】
この照明装置は、例えば、発光素子２４の光取り出し面側に蛍光体２０を設けた構成であり、この構成において、発光素子２４が例えば波長３６５ｎｍ前後の紫外光〜近紫外光で発光し、蛍光体２０がその発光を受けて例えば励起光である白色光を発することによって、照明装置として動作する。
【００７１】
本発明の照明装置は、このような構成としたことから、反射面１９ａが発光素子２４から受けて反射した紫外光〜近紫外光と、小さい電力で高い発光強度を有する発光素子２４自体の紫外光〜近紫外光とにより、蛍光体２０（または燐光体）を強く励起するため、小さい電力で良好な照度を得ることができる。また、この本発明の照明装置は、従来の蛍光灯や放電灯等の代替品となり、それらよりも省エネルギー性や小型化に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明のIII族窒化物系半導体について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明のIII族窒化物系半導体を用いた発光素子について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図３】本発明のIII族窒化物系半導体を用いた発光素子について実施の形態の他例を示す断面図である。
【図４】本発明の発光素子を用いた照明装置発光素子について実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０：基板
１１：バッファ層
１２：Ｐ型半導体層
１３：発光層
１４：Ｎ型半導体層
１５，１６：電極
１７，１８：パッド電極
１９：反射部材
１９ａ：反射面
２０：蛍光体
２１：基台
２３ａ，２３ｂ：導体パターン
１１０：基板
１１１：バッファ層
１１２：Ｐ型半導体層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ等の半導体発光素子に用いられるIII族窒化物系半導体、その製造方法、III族窒化物系半導体を用いた発光素子、及び照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系化合物半導体等のIII族窒化物系半導体（Ｇａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｌｘＮ）（ただし、ｘ＋ｙ≦１，ｘ≧０，ｙ≧０とする。）は、ＡｌＮやＩｎＮ等との混晶であるＡｌＧａＮやＩｎＧａＮ、及びＩｎＧａＡｌＮ等からなり、組成を選択することにより可視光領域から紫外光領域までの発光が可能であり、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ等の発光素子の材料として、検討または一部実用化が図られている。また、電界効果型トランジスタ等の半導体材料としても検討されており、高出力の高周波素子として期待されており、開発が進められている。
【０００３】
特に発光素子として応用を図るには、高品質なＰ型及びＮ型のIII族窒化物系半導体層を作製する必要がある。Ｎ型のIII族窒化物系半導体層は、ドナー不純物となるシリコン（Ｓｉ）等のドーピングにより比較的容易に低抵抗な層を得ることができる。しかしながら、Ｐ型のIII族窒化物系半導体層については、単にマグネシウム（Ｍｇ），亜鉛（Ｚｎ）等のアクセプタ不純物をドーピングしても、ドーパントの活性化率が低く、キャリア濃度は１０１８ｃｍ−３程度であり、低抵抗のＰ型III族窒化物系半導体層を得ることができないといった問題がある。
【０００４】
これは、III族窒化物系半導体層を成長させるのに一般的に用いられている基板であるサファイア（Ａｌ２Ｏ３）は、III族窒化物系半導体との格子定数差が大きいため、その結晶性が悪く、そのため残留ドナー不純物濃度が高くなる。従って、アクセプタ不純物を添加しても、この残留ドナー不純物に相殺されて、有効にアクセプタとして機能しないこととなる。
【０００５】
また、マグネシウムや亜鉛のアクセプタ準位がそれぞれ２００ｍｅＶと３７０ｍｅＶと深く、また、ＭＯＣＶＤ成長（有機金属化学気相成長）法によるIII族窒化物系半導体層の成長中に、Ｖ族元素の供給源として用いるアンモニア（ＮＨ３）やキャリアガスの水素ガス（Ｈ２）等による水素（Ｈ）がIII族窒化物系半導体層の結晶中に取り込まれ、アクセプタ不純物として添加したマグネシウムや亜鉛と結合し、マグネシウムや亜鉛がアクセプタ不純物として機能しないためと理解されている。
【０００６】
上記Ｐ型III族窒化物系半導体層を得る方法として、特許文献１には、実質的に水素を含まない雰囲気中において４００℃以上の温度でアニールする方法が開示されており、水素とマグネシウム，亜鉛との結合を熱エネルギーにより解離させている。
【０００７】
また、特許文献２には、マグネシウムや亜鉛の代わりにアクセプタ不純物としてホウ素（Ｂ）を用いることが開示されている。
【特許文献１】特許第２５４０７９１号公報
【特許文献２】特開２０００−１６４９２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載されている方法では、大量のIII族窒化物系半導体層が形成されたウェハーを同時に一括処理でき、大量生産に向いている方法であるが、加熱時の雰囲気調整が必要であり、また条件によっては十分に低抵抗なＰ型III族窒化物系半導体層を得ることができない。十分な低抵抗化を行うためには、６００℃以上の高温で１０分〜２０分間保持する必要があり、その際にIII族窒化物系半導体層から窒素が抜ける等の問題がある。
【０００９】
また、特許文献２に記載の技術においては、マグネシウムや亜鉛の代わりにアクセプタ不純物としてホウ素を用いているが、不純物源としてホウ素を含む有機金属（例えばトリメチルボロン：ＴＭＢ，トリエチルボロン：ＴＥＢ）が必要であり、さらに不純物の添加後に、特許文献２に記載されている方法のようなアニールによる活性化プロセスが必要である。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、Ｐ型不純物がドープされ活性化されたIII族窒化物系半導体をアニールを必要とせずに容易に製造可能なＰ型導電性のIII族窒化物系半導体、その製造方法、そのＰ型導電性のIII族窒化物系半導体を用いた発光素子、及び照明装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のIII族窒化物系半導体は、基板の一主面上に形成されたIII族窒化物系半導体であり、該III族窒化物系半導体に前記基板からの不純物が含まれていることを特徴とする。
【００１２】
本発明のIII族窒化物系半導体において好ましくは、前記基板は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成り、前記不純物がホウ素であることを特徴とする。
【００１３】
本発明のIII族窒化物系半導体の製造方法は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の一主面上に、気相成長法によりIII族窒化物系半導体を形成する際に、該III族窒化物系半導体中に不純物であるホウ素を前記基板との界面から固相反応により混入させることを特徴とする。
【００１４】
本発明のIII族窒化物系半導体の製造方法は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の一主面上に、気相成長法によりIII族窒化物系半導体を形成する際に、該III族窒化物系半導体中に不純物であるホウ素を雰囲気ガス中の気相から混入させることを特徴とする。
【００１５】
本発明の発光素子は、基板の一主面上に、それぞれIII族窒化物系半導体からなる、Ｐ型半導体層、発光層及びＮ型半導体層が順に積層されているとともに、前記Ｐ型半導体層及び前記Ｎ型半導体層にそれぞれ電極が設けられており、前記III族窒化物系半導体が上記本発明のIII族窒化物系半導体であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の照明装置は、上記本発明の発光素子と、該発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のIII族窒化物系半導体は、基板の一主面上に形成されたIII族窒化物系半導体であり、III族窒化物系半導体に基板からの不純物が含まれていることから、アクセプタ不純物としてのホウ素を、基板から直接的にIII族窒化物系半導体に混入させることができる。従って、ホウ素源としての原料であるトリメチルボロン（ＴＭＢ）やトリエチルボロン（ＴＥＢ）等が不要となり、III族窒化物系半導体を容易かつ低コストに製造できる。また、ホウ素はマグネシウムや亜鉛よりも軽元素であり、III族窒化物系半導体中に浅いアクセプタ準位が形成される。
【００１８】
本発明のIII族窒化物系半導体は好ましくは、基板は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成り、不純物がホウ素である。上記の二硼化物単結晶からなる基板は、III族窒化物系半導体と格子定数が近似しており、この基板上にIII族窒化物系半導体を結晶成長させることで得られるIII族窒化物系半導体の結晶性は高く、残留ドナー濃度も低くすることができる。よってアクセプタ不純物としてホウ素を用いることにより、アクセプタ準位が低いことからマグネシウムや亜鉛よりも活性化率が上がり、また、添加されたアクセプタ不純物であるホウ素が残留ドナーと相殺されることがないため、活性化率が高い低抵抗のＰ型III族窒化物系半導体を得ることが可能になる。
【００１９】
さらに、III族窒化物系半導体層の結晶性が良いため、その成長中の水素原子の取り込みや、結晶中での拡散が抑制され、添加した不純物との結合が生じにくくなる。そのため、III族窒化物系半導体は結晶成長終了時に既にＰ型化しており、新たにアニール処理等行う必要がなく、低抵抗のＰ型III族窒化物系半導体を得ることが可能となる。
【００２０】
本発明のIII族窒化物系半導体の製造方法は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の一主面上に、気相成長法によりIII族窒化物系半導体を形成する際に、III族窒化物系半導体中に不純物であるホウ素を基板との界面から固相反応により混入させることから、ホウ素源としての原料であるトリメチルボロン（ＴＭＢ）やトリエチルボロン（ＴＥＢ）等が不要であり、さらに固相反応によりホウ素が取り込まれるため、その分布は基板と接する側がホウ素濃度が高くなる。このことにより半導体層上に電極を形成した際に、表面部分のキャリア濃度が高くでき、低接触抵抗を得ることができる。
【００２１】
また、本発明のIII族窒化物系半導体の製造方法は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の一主面上に、気相成長法によりIII族窒化物系半導体を形成する際に、III族窒化物系半導体中に不純物であるホウ素を雰囲気ガス中の気相から混入させることから、III族窒化物系半導体中のホウ素濃度は一定な分布にでき、成長温度などの成長条件により濃度を変化できることから、階段状のホウ素濃度分布などを得ることができる。
【００２２】
本発明の発光素子は、基板の一主面上に、それぞれIII族窒化物系半導体からなる、Ｐ型半導体層、発光層及びＮ型半導体層が順に積層されているとともに、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層にそれぞれ電極が設けられており、III族窒化物系半導体が上記本発明のIII族窒化物系半導体であることから、Ｐ型半導体層は低抵抗なものとなり、また、基板上に形成されたＰ型半導体層は結晶性が良いため、貫通転位密度を減らすために厚く積層する必要がない。従って、発光素子の抵抗を小さくすることができ、駆動電圧の低減化を達成することができる。
【００２３】
本発明の照明装置は、上記本発明の発光素子と、その発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備していることから、小さい電力で良好な発光強度を有する発光素子の光により蛍光体または燐光体を強く励起するため、小さい電力で高い照度を得ることができるものとなる。また、本発明の照明装置は、従来の蛍光灯や放電灯等よりも省エネルギー性や小型化に優れたものとなり、蛍光灯や放電灯等よりも優れた照明装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明のIII族窒化物系半導体について実施の形態を以下に詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明のIII族窒化物系半導体について実施の形態の例を示すものであり、基板１１０の一主面（上面）にバッファ層１１１を介してIII族窒化物系半導体１１２をＭＯＣＶＤ法により形成した構成である。
【００２６】
図１の例では、基板１１０として、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶を用いている。好適には二硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）を挙げることができるが、ＺｒＢ２の結晶性また格子定数が大きく変化しない程度に他のアクセプタ不純物と成り得るマグネシウムや亜鉛を含んでいてもよく、これらがIII族窒化物系半導体１１２中に同時に混入されても構わない。
【００２７】
また、バッファ層１１１は、III族窒化物系半導体１１２と基板１１０との格子定数や熱膨張係数が近い場合は必ずしも用いる必要はないが、バッファ層１１１としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及びこれらの混晶である窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）を用いることができる。
【００２８】
二硼化物単結晶である二硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）の場合には、ＧａＮと格子定数が近く、またＡｌ０．２４Ｇａ０．７６Ｎと格子定数が一致するため、このようなＡｌ０．２４Ｇａ０．７６Ｎを直接成長しても構わない。
【００２９】
バッファ層１１１の形成後に温度を上げ、III族窒化物系半導体１１２を引き続き形成する。III族窒化物系半導体１１２としては、ＧａＮ層，ＡｌＧａＮ層，またはＩｎＧａＮ層等のＡｌＮ及び窒化インジウム（ＩｎＮ）の混晶組成でもよい。
【００３０】
また、III族窒化物系半導体１１２の成長方法は、ＭＯＣＶＤ法の他にも分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法やハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ）法等が挙げられる。
【００３１】
バッファ層１１１及びIII族窒化物系半導体１１２の形成温度は、それぞれ４００℃〜８００℃、８００℃〜１１００℃である。
【００３２】
以上のように化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶の基板１１０上にIII族窒化物系半導体１１２を形成することにより、基板１１０に含まれるホウ素が、III族窒化物系半導体１１２の高温での成長中にバッファ層１１１を介した固相拡散によって混入させる。基板に含まれる、もしくは基板を構成するホウ素は、III族窒化物系半導体１１２の形成中の高温下において、基板から拡散する。ホウ素はイオン半径がガリウムや窒素より小さいため、比較的容易にIII族窒化物系半導体１１２中を拡散することが可能である。
【００３３】
また、基板１１０から蒸発したホウ素が、III族窒化物系半導体１１２の原料ガスとともにIII族窒化物系半導体１１２の成長中に取り込まれることによって、III族窒化物系半導体１１２中にホウ素を混入させることができる。
【００３４】
III族窒化物系半導体１１２中へのホウ素の混入は、形成されたIII族窒化物系半導体１１２について、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）による深さ方向のホウ素分布をみることで確認できる。ホウ素は基板１１０側の方が多く存在しており、基板１１０から離れるに従って徐々に減少している。また、基板１１０から離れた部分ではほぼ一定のホウ素濃度を示していることから、ホウ素は基板１１０との界面からの固相拡散と、III族窒化物系半導体１１２の成長と同時に気相から取り込まれていると理解できる。
【００３５】
以上のような構成にすることで、III族窒化物系半導体１１２の成長中にホウ素が基板１１０からIII族窒化物系半導体１１２中に混入されるが、III族窒化物系半導体１１２に対して格子定数のずれが小さい基板１１０上に形成しているので、III族窒化物系半導体１１２の結晶性がよく、残留ドナー濃度を抑制できる。そのため、III族窒化物系半導体１１２の成長後にアクセプタ不純物（ホウ素）活性化のためにアニールすることを不要として、低抵抗なＰ型III族窒化物系半導体を得ることができる。
【００３６】
この際ホウ素濃度は１０１７／ｃｍ３から１０２１／ｃｍ３あれば好ましく、また電極との低コンタクト抵抗のために基板側のホウ素濃度が高くなるような濃度分布になることが好ましいが、基板上にＰ型層となるIII族窒化物系半導体から成長することで、不純物の固相拡散により前記濃度分布を得ることができる。
【００３７】
次に、本発明のIII族窒化物系半導体を用いた発光素子の構成の一例を図２に示す。図１の例のように作製した化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶の基板１０上に、バッファ層１１、それぞれIII族窒化物系半導体からなる、第一導電型層（Ｐ型半導体層）１２、発光層１３及び第二導電型層（Ｎ型半導体層）１４が順に積層されており、Ｐ型半導体層１２及びＮ型半導体層１４にそれぞれ電極１５，１６が形成されている。
【００３８】
本例では、基板１０は化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶からなるが、好適には二硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）である。この場合、ＺｒＢ２の結晶性、格子定数が大きく変化しない程度に他のアクセプタ不純物と成り得るマグネシウムや亜鉛を含んでいてもよく、これらがIII族窒化物系半導体１２中に混入されていても構わない。
【００３９】
またバッファ層１１は、III族窒化物系半導体１２と基板１０の格子定数や熱膨張係数が近い場合は必ずしも形成する必要はないが、バッファ層１１としては、窒化ガリウム，窒化アルミニウム，窒化ガリウムアルミニウムを用いることができる。
【００４０】
バッファ層１１の形成後に温度を上げ、III族窒化物系半導体１２を引き続き形成する。III族窒化物系半導体１２としては、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，またはＩｎＧａＮ等のＡｌＮ及びＩｎＮの混晶組成でもよい。また、III族窒化物系半導体１２の成長方法は、ＭＯＣＶＤ法の他にも分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法やハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ）法等が挙げられる。
【００４１】
バッファ層１１及びIII族窒化物系半導体１２の形成温度は、それぞれ４００℃〜８００℃、８００℃〜１１００℃である。
【００４２】
このようにして、III族窒化物系半導体１２は、基板１０からホウ素が添加されることによりアクセプタ不純物が含まれることとなる。図２において、このIII族窒化物系半導体１２は、バッファ層１１側からＧａＮからなるコンタクト層１２−ａ、ＡｌＧａＮからなるクラッド層１２−ｂ、ＡｌＧａＮからなるキャップ層１２−ｃからなる構成であるが、キャップ層１２−ｃはＧａＮであっても構わず、クラッド層１２−ｂをＡｌ組成の異なる２層からなるものとしても構わない。
【００４３】
III族窒化物系半導体１２中の不純物濃度は、結晶成長温度と、各層厚に混入量が依存する基板１０からの固相を介しての拡散と気相を介しての取り込みとにより、制御が可能である。従って、コンタクト層１２−ａ、クラッド層１２−ｂ、キャップ層１２−ｃの順に不純物濃度が高くなる分布とすることができる。
【００４４】
III族窒化物系半導体１２の結晶成長温度は、例えばコンタクト層１２−ａ及びクラッド層１２−ｂは８００℃〜１１００℃、キャップ層１２−ｃは発光層１３の形成温度により異なり発光層１３の形成温度と同じか僅かに高い程度であり、好適には７００℃〜９００℃である。
【００４５】
また、III族窒化物系半導体１２の各層の厚みは、コンタクト層１２−ａは５〜１０ｎｍ、クラッド層１２−ｂは５０〜２００ｎｍ、キャップ層１２−ｃは１０〜５０ｎｍが好適である。
【００４６】
さらに、コンタクト層１２−ａは形成されていなくてもよく、バッファ層１１をコンタクト層１２−ａの代わりとすることができる。
【００４７】
発光層（活性層）１３は、ＩｎＧａＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮ等から構成された障壁層１３ａ、井戸層１３ｂからなる量子井戸構造（ＭＱＷ）からなっている。例えば、障壁層１３ａとしてＧａＮ層、井戸層１３ｂとしてＩｎＧａＮ層を用いることができる。
【００４８】
発光層１３の形成温度は、インジウムの組成比にもよるがキャップ層１２−ｃと同様に７００℃〜９００℃であるが、基板１０からのホウ素の拡散をなくすために７００℃〜８００℃と低い方が好ましい。また、発光層１３を成す各層の厚みは、障壁層１３ａは５〜１５ｎｍ、井戸層１３ｂは３〜１０ｎｍであり、さらに量子井戸構造の繰返し数は３〜５層がよい。
【００４９】
発光層１３上にはＮ型半導体層１４が積層されており、Ｎ型半導体層１４は不純物としてシリコン（Ｓｉ）をドープしたＧａＮから成る。Ｎ型半導体層１４の形成温度は９００℃〜１１００℃である。Ｎ型半導体層１４の厚みは、通常のサファイア上に形成される場合には格子定数のミスマッチが大きいため、転位を低減するために２〜３μｍとする必要がある。これに対して、本発明のＺｒＢ２基板上の場合、III族窒化物系半導体との格子定数のミスマッチが小さいため転位低減が可能であり、また、Ｎ型半導体層１４は発光層１３上に形成されるので転位低減のために厚くする必要がないことから、Ｎ型半導体層１４の厚みは、図２の場合であれば１μｍあれば十分である。このようにＮ型半導体層１４の厚みを薄くすることにより、発光素子全体の抵抗低減や、発光層１３で発光した光の吸収を極力抑えることが可能となる。
【００５０】
また、発光層１３とＮ型半導体層１４の間に活性層１３の分解を抑制する目的で発光層１３と同じ成長温度で形成するＩｎＧａＮ層やＧａＮ層を積層してもよい。
【００５１】
さらに、電極１５がＮ型半導体層１４上に、電極１６が基板１０の他主面（下面）に形成されている。例えばＺｒＢ２から成る基板１０は、金属とほぼ同等の高い導電性を示すため、その下面に電極１６を形成しても電流を流すことが可能となる。また、基板１０とバッファ層１１を介した電極１６とＰ型半導体層１２とのコンタクトは、Ｐ型半導体層１２と全面で接することから電流の広がりもよく、基板１０と電極１６のコンタクト抵抗も低いことから、縦型に通電しても抵抗を低く、均一な発光を達成できる。
【００５２】
電極１６を形成する際に基板１０を研磨等して薄くした後に形成しても構わない。さらに、ＺｒＢ２等からなる基板１０が導電性を有するために、例えばサブマウント基板に基板１０をはんだ等により直接接続し電気的に導通をとることも可能である。また、このような電極１６を特に用いない構成も採用可能である。
【００５３】
また、Ｎ型半導体層１４上に形成される電極１５は、Ｎ型半導体層１４の全面に形成する必要はなく、少なくともワイヤーボンディングができる程度の大きさの電極１５を形成すればよい。
【００５４】
電極１５の位置は、図２では平面視で発光素子のほぼ中心に形成しているが、Ｎ型半導体層１４は抵抗が低く電流の広がりが良いので、平面視で発光素子の端の方に形成されていてもよい。また、電極１５は、発光素子における光の取り出し方向によっては、透光性または反射性の材料からなるように選択することができる。
【００５５】
電極１５，１６に用いることができる好適な材料としては、アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ）等であり、これらから成る薄膜として形成できる。また、他の好適な材料として、酸化錫（ＳｎＯ２），酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を挙げることができ、これらから成る薄膜として形成できる。また、上記薄膜を複数積層したり、上記各種材料の合金や化合物から成る薄膜であってもよい。反射性の材料としては、例えば銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）等が好適である。
【００５６】
さらに、ボンディングやプローバ測定を行うために、各電極１５，１６上にパッド電極１７，１８を設ける。パッド電極１７，１８としては例えばＴｉ層，Ａｕ層を積層したもの等を使用することができる。
【００５７】
そして、ダイシングまたはスクライブ等によりチップ形状に分割することにより、図２に示す発光素子が得られる。
【００５８】
以上のような構成にすることにより、III族窒化物系半導体の成長中にホウ素が基板１０からIII族窒化物系半導体中に混入するが、III族窒化物系半導体に対して格子定数のずれが小さい基板１０上にIII族窒化物系半導体を形成しているので、III族窒化物系半導体層の結晶性がよく、残留ドナー濃度を抑制できる。そのため、III族窒化物系半導体の成長後にアニールすることなく低抵抗で結晶性の良いＰ型III族窒化物系半導体を得ることができ、その結果、発光効率の良い、低い動作電圧の発光素子を得ることが可能となる。
【００５９】
次に、本発明の発光素子について実施の形態の他例の構成を図３に示す。図３の構成の発光素子においては、フリップチップ型実装にも対応するものであり、図２の構成のように、基板１０上に、バッファ層１１、Ｐ型導体層１２、発光層１３、Ｎ型半導体層１４を形成している構成は同じである。また図３の構成では、Ｎ型半導体層１４に接続する電極１５を、基板１０に形成される電極１６と同じ基板１０の主面側に形成している。
【００６０】
この電極１５は以下のようにして形成することができる。まず、基板１０の他主面（下面）からＮ型半導体層１４にまで達する開口部を設ける。この開口部は、基板１０にレジストによるパターニング等をした後に、開口部に相当する個所を除去することのよって形成され、例えば基板１０を成すＺｒＢ２は沸酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）の混合液である沸硝酸水溶液で除去できるので、容易にパターニング及び除去が可能である。
【００６１】
さらに、開口部において、バッファ層１１、Ｐ型半導体層１２、発光層１３及びＮ型半導体層１４の一部を、Ｎ型半導体層１４の表面が露出するまでエッチングを行う。エッチングは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置により行うことができる。
【００６２】
再度フォトリソグラフィ工程、蒸着工程、リフトオフ工程により、Ｎ型半導体層１４上に、Ｔｉ層，Ａｌ層，Ｎｉ層，Ａｕ層を積層して成る電極１５を、さらに同様の積層構造からなる電極１６を同時に基板１０の下面に形成した。
【００６３】
さらに、ボンディングやプローバ測定を行うために、各電極１５，１６上にパッド電極１７，１８を設ける。パッド電極１７，１８としては、例えばＴｉ層，Ａｕ層を積層して成るもの等を使用することができる。
【００６４】
そして、ダイシングまたはスクライブ等によりチップ形状に分割することにより、図３に示す、III族窒化物系半導体を用いた発光素子が得られる。
【００６５】
また、図３においては基板１０の一部を除去し、基板１０の下面に電極１６を形成したが、基板１０はIII族窒化物系半導体の成長に使用した後は完全に除去して、電極１６がバッファ層１１上に形成されるようにすることも可能である。この場合、基板１０を沸硝酸により完全に除去した後に、バッファ層１１全面に電極１６を形成する。電極１６の材料としては、反射性の材料であれば、例えば銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）を好適に用いることができる。
【００６６】
さらに基板１０除去後に、バッファ層１１上に、例えばニッケル（Ｎｉ），金（Ａｕ）からなる透明電極を形成し、その上の一部にボンディングやプローバ測定を行うための例えばＴｉ層，Ａｕ層を積層して成るパッド電極を形成することも可能である。
【００６７】
以上のような構成にすることでIII族窒化物系半導体の成長中にホウ素が基板からIII族窒化物系半導体層に混入され、そのため、III族窒化物系半導体が格子定数のずれが小さい基板上に形成されているので、III族窒化物系半導体層の結晶性がよく、残留ドナー濃度を抑制できる。従って、成長後にアニールすることなく低抵抗で結晶性の良いＰ型III族窒化物系半導体を得ることができるため、発光効率の良い、低い動作電圧の発光素子を得ることが可能となる。
【００６８】
次に、図４に本発明の照明装置について実施の形態の一例を示す。図４の照明装置は、図２及び図３に示す本発明の発光素子２４と、この発光素子２４に設けた発光層１３に沿って出射される紫外光（波長３６５ｎｍ程度）〜近紫外光（波長３８０ｎｍ〜４１０ｎｍ程度）を、上方に反射する反射面１９ａを有する反射部材１９と、発光素子２４からの発光を受けて白色光等の可視光を発する蛍光体２０（または燐光体）とを具備する構成である。
【００６９】
また、発光素子２４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の高熱伝導の絶縁材料からなる基台２１上面に形成された導体パターン２２ａ，２２ｂ上に、バンプ電極２３ａ，２３ｂを介して電気的に接続されており、その発光素子２４の実装面の反対側から発光素子２４全体を蛍光体２０で覆っている。また、基台２１上面には、反射面１９ａを成す金属材料（アルミニウム等）と同じ材料から成る反射部材１９、または反射面１９ａが金属材料（アルミニウム等）でコーティングされた反射部材１９を設けている。
【００７０】
この照明装置は、例えば、発光素子２４の光取り出し面側に蛍光体２０を設けた構成であり、この構成において、発光素子２４が例えば波長３６５ｎｍ前後の紫外光〜近紫外光で発光し、蛍光体２０がその発光を受けて例えば励起光である白色光を発することによって、照明装置として動作する。
【００７１】
本発明の照明装置は、このような構成としたことから、反射面１９ａが発光素子２４から受けて反射した紫外光〜近紫外光と、小さい電力で高い発光強度を有する発光素子２４自体の紫外光〜近紫外光とにより、蛍光体２０（または燐光体）を強く励起するため、小さい電力で良好な照度を得ることができる。また、この本発明の照明装置は、従来の蛍光灯や放電灯等の代替品となり、それらよりも省エネルギー性や小型化に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明のIII族窒化物系半導体について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明のIII族窒化物系半導体を用いた発光素子について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図３】本発明のIII族窒化物系半導体を用いた発光素子について実施の形態の他例を示す断面図である。
【図４】本発明の発光素子を用いた照明装置発光素子について実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０：基板
１１：バッファ層
１２：Ｐ型半導体層
１３：発光層
１４：Ｎ型半導体層
１５，１６：電極
１７，１８：パッド電極
１９：反射部材
１９ａ：反射面
２０：蛍光体
２１：基台
２３ａ，２３ｂ：導体パターン
１１０：基板
１１１：バッファ層
１１２：Ｐ型半導体層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一主面上に形成されたIII族窒化物系半導体であり、該III族窒化物系半導体に前記基板からの不純物が含まれていることを特徴とするIII族窒化物系半導体。
【請求項２】
前記基板は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成り、前記不純物がホウ素であることを特徴とする請求項１記載のIII族窒化物系半導体。
【請求項３】
化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の一主面上に、気相成長法によりIII族窒化物系半導体を形成する際に、該III族窒化物系半導体中に不純物であるホウ素を前記基板との界面から固相反応により混入させることを特徴とするIII族窒化物系半導体の製造方法。
【請求項４】
化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の一主面上に、気相成長法によりIII族窒化物系半導体を形成する際に、該III族窒化物系半導体中に不純物であるホウ素を雰囲気ガス中の気相から混入させることを特徴とするIII族窒化物系半導体の製造方法。
【請求項５】
基板の一主面上に、それぞれIII族窒化物系半導体からなる、Ｐ型半導体層、発光層及びＮ型半導体層が順に積層されているとともに、前記Ｐ型半導体層及び前記Ｎ型半導体層にそれぞれ電極が設けられており、前記III族窒化物系半導体が請求項１または２記載のIII族窒化物系半導体であることを特徴とする発光素子。
【請求項６】
請求項５記載の発光素子と、該発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備していることを特徴とする照明装置。
【請求項１】
基板の一主面上に形成されたIII族窒化物系半導体であり、該III族窒化物系半導体に前記基板からの不純物が含まれていることを特徴とするIII族窒化物系半導体。
【請求項２】
前記基板は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成り、前記不純物がホウ素であることを特徴とする請求項１記載のIII族窒化物系半導体。
【請求項３】
化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の一主面上に、気相成長法によりIII族窒化物系半導体を形成する際に、該III族窒化物系半導体中に不純物であるホウ素を前記基板との界面から固相反応により混入させることを特徴とするIII族窒化物系半導体の製造方法。
【請求項４】
化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の一主面上に、気相成長法によりIII族窒化物系半導体を形成する際に、該III族窒化物系半導体中に不純物であるホウ素を雰囲気ガス中の気相から混入させることを特徴とするIII族窒化物系半導体の製造方法。
【請求項５】
基板の一主面上に、それぞれIII族窒化物系半導体からなる、Ｐ型半導体層、発光層及びＮ型半導体層が順に積層されているとともに、前記Ｐ型半導体層及び前記Ｎ型半導体層にそれぞれ電極が設けられており、前記III族窒化物系半導体が請求項１または２記載のIII族窒化物系半導体であることを特徴とする発光素子。
【請求項６】
請求項５記載の発光素子と、該発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備していることを特徴とする照明装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−３５８７６（Ｐ２００７−３５８７６Ａ）
【公開日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２１６３５７（Ｐ２００５−２１６３５７）
【出願日】平成１７年７月２６日（２００５．７．２６）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月２６日（２００５．７．２６）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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